4.6.2.2. Образование центральной воронки

Для безопасной работы необходимо соблюдение правил [21]:

[21]

Высота и глубина воронки определяются по следующим формулам [21]:

По номограммам [21] и

Тогда:

Условие безопасности соблюдается; угрозы поломки мешалки нет.

4.6.3. Тепловой эффект химической реакции

Тепловой эффект химической реакции представляет собой суммарное количество теплот, которое выделяется или поглощается при протекании всех химических реакций (основных и побочных) Его определяют по формуле:

Q_х.р = ·q_р·η, [10]

где: G_исх – суточное количество исходного продукта, загруженного на реакцию, кг;

M – молярная масса исходного реагирующего вещества, г/моль;

q_р – молярный тепловой эффект реакции, кДж/моль;

– число операций в сутки;

– число аппаратов;

1000 – переводной коэффициент для перевода кг в г;

𝜂 – выход по химической реакции.

Молярный тепловой эффект химической реакции определяется по закону Гесса:

q_p = Σq_обр^кон – Σq_обр^нач [10]

где: q_р – молярный тепловой эффект реакции, кДж/моль;

Σq_обр^кон – сумма теплот образования конечных продуктов реакции, кДж/моль;

Σq_обр^нач – сумма теплот образования исходных веществ, кДж/моль;

Йодистый метил

По справочным данным Δ H = -3,29 ккал/моль [20]:

q_обрCH3I= - Δ H· 4,19 = 3,29 · 4,19 = 13,79 кДж/моль

ДМАЭБ

По методу Караша-Свентославского:

q_обр = Σn·q_а – q_сг, кДж/моль;

q_сг = 109,1·n +Σ(Δζ), кДж/моль [10]

n= 4·С + Н – Р

q_сг^тв = q_сг^ж – q_пл

По справочным данным [20]:

Δ_Ar-Alk= - 14,7 кДж/моль

Δ = 14,7 кДж/моль

Δ = 69,1 кДж/моль

Δ = 108,9 кДж/моль

Р = 5

Таблица 4.6.7

Элемент	qа, кДж/г-атом
С	395,2
H	143,2
I	0
O	0
N	0

q_сг^ж = 109,1·(4·18+1·21 – 5) – 14,7·2+ 14,7 + 69,1+ 108,9 = 9764,10 кДж/моль

q_пл=K·T_пл=54,4· 373 = 2029,20 Дж/моль

K = 54,4 Дж/моль·К – для органических соединений [20]

q_сг^тв =9764,10 - 2,03 = 9762,07 кДж/моль

q_{обрДМАЭБ}= Σn·q_а – q_сг=(18·395,2+21·143,2+1·0+3·0+1·0)-9762,07= 358,73 кДж/моль

Метацин

Теплоту образования метацина определим исходя из реакции образования соли амина:

q_обр^{соли амина} = q_обр^ДМАЭБ + q_обр^HI+ q_н [10]

По справочным данным Δ H = -13,22 ккал/моль [20]

q_обрHI= - Δ H · 4,19 = 13,22 · 4,19 = 55,39 кДж/моль

q_н = 30,17 кДж/моль - принимаем по реакции нейтрализации слабого основания сильной кислотой [20]

q_{обр метацин}= 358,73 + 55,39 + 30,17 = 444,29 кДж/моль

q_p = 444,29 – 358,73 – 13,79 = 71,83 кДж/моль

Q_х.р = ·71,83·0,975 = 2121,87 кДж

4.6.4. Тепловой баланс реактора йодометилирования р-15

Разобьём процесс на тепловые режимы и составим температурный график процесса.

Рис. 4.6.4. Температурный график процесса йодометилирования

1. Загрузка ДМАЭБ. τ = 60 мин

2. Выдержка. τ = 180 мин

3. Охлаждение. τ = 180 мин

I режим – загрузка ДМАЭБ при 20 °С, τ = 60 мин

Уравнение теплового баланса:

Q₁+ Q₂ + Q₃+Q_м= Q₄

Q₅=0, т.к. t=const

Q₆=0, т.к. t_нар = t _окр.ср.= 20 °С

1. Q₁ – количество тепла, вносимого с перерабатываемыми веществами, кДж

Q₁ = ΣG_i·c_i·t_нач/(β·n)_, [10]

где: G_i – операционная масса i-го компонента, кг;

c_i – удельная теплоемкость i-го вещества, кДж/кг;

t_нач – начальная температура i-го вещества, ºС.

Таблица 4.6.8

Наименование компонента	Масса Gi, кг	Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон	75,92	2,180
вода	0,49	4,182
йодистый метил	10,88	0,578
ДМАЭБ	20,77	1,333
примеси	0,64	1,333

Q₁ = ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 10,88·0,578+ 20,77·1,333+ 0,64·1,333)·20/(2,29·1) = 1767,54 кДж

2. Q₃ – тепловой эффект процесса, кДж

Примем, что на I режиме реакция йодометилирования протекает на 20 %.

Q₃= 0,20·Q_х.р.

Q₃ = 0,20 · 2121,87 = 424,37 кДж

3. Q_м – количество тепла, выделяемое мешалкой в перемешиваемую среду, кДж

Q_м = N_уд ·V_оп ·τ ·60 [10]

где: N_уд – удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости, Вт/м³;

V_оп – операционный объем реакционной массы, м³ (V_оп = 128,18 л);

τ – длительность режима, мин.

N_уд = N_ж/V,

где: V – объем жидкости в реакторе, м³.

N_уд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м³

Q_м= 46,97·128,18·60·60/10⁶ = 21,67 кДж

4. Q₄ – количество тепла, накопленное продуктами реакции , кДж

Q₄ =ΣG_i·c_i·t_кон/(β·n)_, [10]

где: t_кон – конечная температура i-го вещества, ˚С

Так как реакция проходит на 20 %, то:

Таблица 4.6.9

Наименование компонента	Масса Gi, кг	Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон	75,92	2,180
вода	0,49	4,182
йодистый метил	8,94	0,578
ДМАЭБ	16,67	1,333
примеси	0,64	1,333
метацин	5,97	0,987
ДМАЭЭ ДФМУК	0,05	1,333
йодоводород	0,02	0,205

Q₄= ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 8,94·0,578+ 16,67·1,333+ 0,64·1,333+ 5,97·0,987+ 0,05·1,333+ 0,02·0,205)·20/(2,29·1) = 1762,09 кДж

5. Q₂ – количество тепла, которое необходимо подвести, кДж

Q₂ = Q₄ – Q₁– Q_м – Q₃

Q₂ = 1762,09 – 1767,54 – 21,67 – 424,37 = – 451,49 кДж

6. Поверхность теплообмена:

F_т/о = , [10]

где: Δt_ср – средняя разность температур,

– коэффициент теплопередачи.

При охлаждении жидким хладагентом, если температура реакционной массы остается постоянной:

Δt_ср = , [10]

где: – температура жидкого теплоносителя на выходе из рубашки аппарата, ºС;

– температура жидкого теплоносителя на входе в рубашку аппарата, ºС;

t_р.м. – температура реакционной массы в аппарате, ºС.

Задаемся для охлаждающей воды =12 °С, =14 °С, тогда:

Δt_ср = = 6,95 °С

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

К= , Вт/м²·К [10]

где: α₁ – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя (охлаждающей воды) к стенке аппарата, Вт/м·К;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной массе, Вт/м·К;

∑r_загр- термическое сопротивление загрязнений стенок с внутренней и наружной стороны, Вт/м²·К;

δ_ст– толщина стенки аппарата, м

λ_ст – теплопроводность нержавеющей стали, Вт/м²·К (λ_ст= 46,5 Вт/м²·К – по справочным данным)

Охлаждение осуществляется водой, для которой по справочным данным α₁=300 Вт/м·К, r_загр= 18·10^-5Вт/м²·К [10].

Коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к реакционной массе

α₂ = · Re^0,75 · K_N^0,25 · · · , Вт/м²·К [10]

где: Re – критерий Рейнольдса;

K_N – критерий мощности;

с – теплоемкость перемешиваемой среды, Дж/кг·К;

λ – теплопроводность перемешиваемой среды, Вт/м·К;

D, d_м – диаметр аппарата и мешалки, м;

μ, μ_ст – вязкость перемешиваемой среды, при средней температуре в аппарате и при температуре стенки; Па·с;

H_R – высота жидкости в аппарате, м.

α₂ = = 1590,65 Вт/м²·К

Данные взяты из гидромеханического расчета реактора Р-15

К= = 183,45 Вт/м²·К

F_т/о = = 0,10 м²

0,10< 0,81 , т.е. F_т/о<F_ном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7. Расход хладагента (охлаждающей воды)

G = = = 53,88 кг

8. Тепловая нагрузка:

q₂ = = = 0,13 кВт [10]

II режим – выдержка при 20 °С, τ = 180 мин

Уравнение теплового баланса:

Q₁+ Q₂ + Q₃+Q_м= Q₄

Q₅=0, т.к. t=const

Q₆=0, т.к. t_нар = t _окр.ср.= 20 °С

1. Q₁^II= Q₄^I

Q₁ = 1762,09 кДж

2. Примем, что на II режиме реакция йодометилирования протекает на 80 %.

Q₃= 0,80·Q_х.р.

Q₃ = 0,80 · 2121,87 =1697,50 кДж

3. N_уд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м³

Q_м= 46,97·128,18·180·60/10⁶ = 65,01 кДж

4. Так как реакция проходит на 80 %, то:

Таблица 4.6.10

Наименование компонента	Масса Gi, кг	Теплоемкость ci, кДж/(кг·К)
ацетон	75,92	2,180
вода	0,49	4,182
йодистый метил	1,16	0,578
ДМАЭБ	0,26	1,333
примеси	0,64	1,333
метацин	29,84	0,987
ДМАЭЭ ДФМУК	0,27	1,333
йодоводород	0,11	0,205

Q₄= ((75,92·2,180 + 0,49·4,182 + 1,16·0,578+ 0,26·1,333+ 0,64·1,333+ 29,84·0,987+ 0,27·1,333+ 0,11·0,205)·20/(2,29·1) = 1740,26 кДж

5. Q₂ = Q₄ – Q₁– Q_м – Q₃

Q₂ = 1740,26 – 1762,09 – 65,01 – 1697,50 = – 1784,44 кДж

6. Поверхность теплообмена:

F_т/о = , [10]

Δt_ср = = 6,95 °С

К= = 183,45 Вт/м²·К

F_т/о = = 0,15 м²

0,15< 0,81 , т.е. F_т/о<F_ном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7. Расход хладагента (охлаждающей воды)

G = = = 212,94 кг

8. Тепловая нагрузка:

q₂ = = = 0,16 кВт [10]

III режим – охлаждение до 0 °С, τ = 180 мин

Уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q₂ + Q_м = Q₄ + Q₅ + Q₆

1. Q₁^III=Q₄^II = 1740,26 кДж

2. N_уд= 6,02/0,12818 = 46,97 Вт/м³

Q_м= 46,97·128,18·180·60/10⁶ = 65,01 кДж

3. Q₄ = · t_кон = · 0 = 0 кДж

4. Q₅ – количество тепла, расходуемое на нагрев (охлаждение) аппарата, кДж

Q₅ = 0,7·G_ап·c_мат· ( t_кон – t_нач ) · K_пот [10]

где: 0,7 – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева;

G_ап – масса аппарата, кг;

c_мат - теплоемкость материала, из которого изготовлен аппарат, кДж/кг·К (0,5 кДж/кг·К – для стали);

t_кон – средняя конечная (для данного режима) температура аппарата, ˚С;

t_нач– средняя начальная (для данного режима) температура аппарата, ˚С;

K_пот – коэффициент, учитывающий потери на нагрев эмали и изоляции (1,11 – для эмалированного аппарата с изоляцией).

Коэффициент теплопередачи:

К= , Вт/м²·К

В качестве хладагента используется холодильный рассол.

Принимаем по справочным данным: α₁=200 Вт/м·К, r_загр= 18·10^-5Вт/м²·К.

К= = 140,49 Вт/м²·К

Принимаем начальную температуру рассола (раствор хлорида натрия) Θ₁= - 5 °С, конечную температуру Θ₂= - 2 °С. Средняя температура рассола:

A = = = 2,5

Δt_ср = = = 5,18 °С

Θ_{2ср.кон.} = Θ₁ + Δt_ср ·lnA = - 5 + 5,18·ln2,5= - 0,25 °С

t₁ = = = - 2,63 °С

Конечная температура аппарата определяется по формулам:

t_ст1= t₁– = –2,63– = - 0,78 °С

t_ст2= t₂ + = 0 + = - 0,23 °С

t_кон = = = - 0,51 °С

Q₅ = 0,7·250·0,5· (–0,51 – 20 ) · 1,11 = – 1992,03 кДж

1. Q₆ – количество тепла, теряемое аппаратом в окружающую среду, кДж

Q₆ = Q₆^из + Q₆^неиз [10]

Q₆= F_ап·α·(t_нар–t_окр.ср.) · τ · 3,6 [10]

где: Q₆^из – количество тепла, теряемое изолированной частью аппарата, кДж;

Q₆^неиз – количество тепла, теряемое неизолированной частью аппарата, кДж;

F_ап – площадь поверхности аппарата, м²;

α – коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/м²·К;

t_нар– температура наружной поверхности аппарата, °С;

t_окр.ср – температура окружающей среды, °С;

τ – продолжительность процесса, ч;

3,6 – коэффициент для перевода Дж в кДж и секунд в часы.

α = 9,74 + 0,07·(t_нар – t_окр.ср.) [10]

Принимаем температуру на поверхности изоляции t_из= 5 °С (т.к. хладагент - холодильный рассол), температуру окружающей среды t_окр.ср = 20 °С. Температуру неизолированной части аппарата принимаем равной средней температуре стенки.

α_из= 9,74 + 0,07·(5 – 20) = 8,69 Вт/м²·К

α_неиз= 9,74 + 0,07·(–0,51 – 20) = 8,30 Вт/м²·К

F_из = F_руб + F_обеч + F_кр· x,

где: х – процент крышки, покрытый изоляцией.

F_неиз= F_кр·(1-х)

F_руб= 𝜋·D_нар·H_цил+1,086·(D_нар)²

D_нар^руб = D₁+2·S₁+2·δ_изол= 0,55+2·0,004+2·0,05 = 0,658 м

H_цил^руб= = = = 0,34 м

F_руб= 𝜋·0,658·0,34+1,086·0,658² = 1,17 м²

F_обеч^цил= 𝜋·D_об·H_об

D_об = D+2S+2δ_изол = 0,5+2·0,006+2·0,05 = 0,612 м

H_об = H₄ – S – D/4– H_руб^цил

H_об = 0,55 – 0,006 – – 0,34 = 0,079 м

F_обеч^цил= 𝜋·0,612·0,079 = 0,15 м²

F_кр^из = 1,086·D²_об· х

F_кр^из = 1,086·0,612²· 0,5 = 0,20 м²

F_из = 1,17 +0,15+0,20 = 1,52 м²

F_неиз= 1,086·0,612²·0,5 = 0,20 м²

Q₆^из = 1,52·8,69·(10 – 20_.) · (180/60) · 3,6 = - 1425,55 кДж

Q₆^неиз = 0,20·8,30·(– 0,51 – 20_.) · (180/60) · 3,6 = - 367,70 кДж

Q₆ = - 1425,55 +(- 367,70) = - 1794,25 кДж

5. Q₂ = Q₅ + Q₆ + Q₄ – Q₁– Q_м

Q₂ = –1992,03 – 1794,25 + 0 – 1740,26 – 65,01= – 5591,55 кДж

6. Поверхность теплообмена:

F_т/о =

F_т/о = = 0,78 м²

0,79 < 0,81 , т.е. F_т/о<F_ном ⇨ поверхности теплообмена достаточно.

7. Расход хладагента (холодильного рассола – раствора хлорида натрия)

G = = = 296,59 кг

8. Тепловая нагрузка:

q₂ = = = 0,52 кВт [10]